速率光纤陀螺寻北仪倾斜补偿算法研究

　　0　引言

　　不论是以高速旋转的陀螺马达作为检测元件的悬挂式陀螺寻北仪,还是以位置式陀螺作为检测元件的位置式寻北仪,都是通过检测地球自转角速度的北向分量,从而测量出任意测点的真子午线位置,实现找北过程的.这可以不受地形条件(地面、地下)、气候条件(阴雨、阳光)、时间条件(白昼、黑夜)的限制,以及外磁场的影响,真正达到了自主寻北目的[1-2].

　　但是,当转台相对当地水平面有角ε的倾斜时,由于地球旋转角速度垂直分量ωH的影响,这时系统寻找的不再是单独地球角速度北向分量ωN的方向,而是ωN和ωHsinε合成角速率的方向.因此,倾斜会引起真北方位角的偏差.经过推导,如果倾斜角度为1°,方位角的最大偏差为50′,所以必须推导出寻北仪有俯仰、滚转角的情况下的计算公式,以保证寻北准确度.为此,本文提出一种倾斜补偿算法,采用积分滑动和最小二乘拟合滤波技术,对原始测量信号进行处理,从而达到寻北准确度要求.

　　1　光纤陀螺寻北仪倾斜补偿算法

　　以往的一些算法都是把寻北仪放置在调平的平台上,或者不考虑倾斜的影响而推导的一些寻北解算公式,这些算法只是根据陀螺的输出来解算方位角的;少数的文章有的也采用倾斜补偿的寻北算法[3],但是这些算法的准确度都不是特别高,因此本文提出了一种倾斜补偿算法来提高补偿准确度.

　　本算法的优点在于:通过坐标转换得到了当台体存在俯仰、滚转角θ、γ时,寻北仪的解析方位角Ψ表达式,通过光纤陀螺和加速度计来测量和解算出ωe、θ和γ的大小,寻北仪无需机械调平.在有俯仰、滚转角的情况下,它遵循如图1的坐标变换[4-5].

　　初始坐标系为OXYZ(东北天坐标系),以OZ为旋转轴,顺时针转方位角Ψ,转到坐标系OXpYpZ,然后以OXp为旋转轴,逆时针转俯仰角θ,转到坐标系为旋转轴,逆时针转倾斜角γ,转到坐标系为旋转轴,逆时针转动不同方位的测量角θi,由坐标系.

　　式中Ωx、Ωy、θ、γ分别由光纤陀螺和加速度计测得,ωH=ωe×sinφ中的φ可以事先输入,这样就可以由式(2)求得真北方位角Ψ的大小.

　　2　光纤陀螺的信号分析与处理

　　系统采用直流力矩电机控制惯性测量单元连续旋转.由于电机齿槽转矩、换向干扰和低速摩擦等多方面原因,导致惯性测量单元旋转角速度出现波动,陀螺敏感轴和加速度计感测到波动,需要采用滤波方法对该波动分量进行滤波处理.光纤陀螺本身的噪音也较大,所以必须对数据进行处理,才能得到较高的寻北准确度[6-7].采集一圈的陀螺原始数据曲线如图2.